靠近南北極的高緯度地區(qū)，常?？梢钥吹浇k爛的極光。不過(guò)，一些平民科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種怪異的天空輝光，與典型的極光大不相同，于是將其命名為“史蒂夫”。最新的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，這種輝光是一種帶電的混合體……
2016年，拍攝極光的平民科學(xué)家注意到反常的紫色弧光，科學(xué)家們無(wú)法徹底解釋清楚。這種現(xiàn)象，名為“史蒂夫”，最新的研究發(fā)現(xiàn)它其實(shí)是由兩種天空輝光構(gòu)成的。上圖拍攝于加拿大甘露市。
攝影：DAVE MARKEL PHOTOGRAPHY, NATIONAL GEOGRAPHIC YOUR SHOT
撰文：ROBIN GEORGE ANDREWS
古往今來(lái)，南極北極的極光永遠(yuǎn)那么迷人，啟迪了無(wú)數(shù)的創(chuàng)意作品、神話故事和傳說(shuō)，也激發(fā)了人們對(duì)這一現(xiàn)象背后的原理進(jìn)行科學(xué)研究。不過(guò)，時(shí)至今日，這種天文奇觀仍然時(shí)不時(shí)地給科學(xué)家們帶來(lái)驚喜。2016年，加拿大阿爾伯塔省的平民科學(xué)家首次目睹了全新的天空輝光“史蒂夫”。
這種極光呈長(zhǎng)條狀，有時(shí)候會(huì)有綠色的尖樁柵欄狀結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)的緯度比典型的極光低得多。困惑的太空物理學(xué)家們無(wú)法確定這是一種形狀怪異的極光，還是另外一種全新的存在。
如今，研究表明，上述兩種猜測(cè)都不對(duì)：史蒂夫極光是一種帶電混合體（electrical hybrid）。
“我們發(fā)現(xiàn)，尖樁柵欄狀結(jié)構(gòu)是極光，但紫色的圓弧并不是極光?！痹撗芯康牡谝蛔髡?、美國(guó)波士頓大學(xué)的太空物理學(xué)研究者Toshi Nishimura解釋道。
這項(xiàng)知識(shí)界的發(fā)現(xiàn)之所以重要，是因?yàn)榈湫偷臉O光和史蒂夫極光的紫色圓弧都出現(xiàn)在電離層。該研究論文的合著者、加拿大卡爾加里大學(xué)的太空物理學(xué)家Bea Gallardo-Lacourt解釋說(shuō)，電離層是地球大氣層中帶電的一層，會(huì)影響無(wú)線電波的傳播路徑，因此，電離層的擾動(dòng)會(huì)影響我們的通訊網(wǎng)絡(luò)。
她說(shuō)：“我們理解這其中的原理，事關(guān)根本?！?/p>
冒充極光？
地球的南北磁極發(fā)出的磁感線像一張大網(wǎng)籠罩著地球，當(dāng)太空中的高能粒子沿著磁感線滑落時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生極光。這些高能粒子沖入大氣層上層時(shí)，會(huì)使那里的電子充電，發(fā)出各種顏色的光。與此同時(shí)，當(dāng)?shù)厍虻拇鸥芯€與太陽(yáng)的磁感線相交，它們會(huì)破裂、重組，并一路帶走帶電粒子。因此，帶電粒子會(huì)飛入地球兩側(cè)的大氣層中，形成白晝和夜晚兩種極光。
史蒂夫極光的形狀與眾不同，而且出現(xiàn)在低緯度地區(qū)，顯然，它并非普普通通的極光。
平民科學(xué)家們?cè)诩幽么罂吹竭@種奇怪的新極光時(shí)，給它取了一個(gè)可樂(lè)又普通的名字“史蒂夫”。實(shí)際上，這個(gè)名字來(lái)自于2006年的喜劇動(dòng)畫(huà)片《籬笆墻外》。片中，森林里的動(dòng)物們不認(rèn)識(shí)一種灌木，便給這種灌木取名“史蒂夫”。美國(guó)宇航局戈達(dá)德研究中心的太空物理學(xué)家、首個(gè)觀測(cè)極光的平民科學(xué)組織的創(chuàng)始人Elizabeth MacDonald非常喜歡這個(gè)名字，還專門(mén)把他們團(tuán)隊(duì)的名字縮寫(xiě)改成了STEVE（史蒂夫）。
MacDonald及其同事利用磁場(chǎng)分析探測(cè)器在一次史蒂夫事件中收集的數(shù)據(jù)，在2018年的一項(xiàng)研究中稱，這是極光的一個(gè)新“品種”。它與傳統(tǒng)極光的形成方式略有不同，但它仍然具備所有帶電粒子亂象的特征。
但是，很顯然，早在人們觀測(cè)到史蒂夫之前很久，它就已經(jīng)存在了。隨著平民科學(xué)家們梳理以往照片的興趣與日俱增，人們也拍到了史蒂夫的更多細(xì)節(jié)。2018年，Gallardo-Lacourt在他領(lǐng)銜的另一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星觀測(cè)到的2008年某次史蒂夫事件并沒(méi)有綠色光。這些研究人員發(fā)現(xiàn)，那次事件中的帶電粒子很少，遠(yuǎn)不足以將其稱之為真正的極光。
光之嵌合體
最新的這項(xiàng)研究，本月初發(fā)表于《地球物理研究通訊》，研究了三次史蒂夫事件，同時(shí)也得到了極光攝影師們的幫助。此外，包括美國(guó)宇航局用于調(diào)查極光的THEMIS衛(wèi)星群在內(nèi)的多顆探測(cè)器，分析了每次史蒂夫事件的電離特征。
Nishimura的團(tuán)隊(duì)稱，史蒂夫絕對(duì)是在電離層中產(chǎn)生的，但是，紫色弧似乎并不是極光，因?yàn)闃O光的定義是高能電子產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象。與之相反，史蒂夫事件中，自由運(yùn)動(dòng)的低能帶電粒子粒子流與中性粒子碰撞后摩擦生熱產(chǎn)生的光芒，就是我們看見(jiàn)的紫色圓弧。
即我們所看到的紫色弧光。這有點(diǎn)兒像是燈泡里的燈絲升溫并發(fā)出光芒，并不完全像是極光。
Nishimura說(shuō)：“我們更應(yīng)該稱之為‘天空輝光’?！?/p>
“盡管是科學(xué)家們?cè)谘芯渴返俜?，但這其實(shí)是攝影師們的發(fā)現(xiàn)?！薄幽么罂柤永锎髮W(xué)BEA GALLARDO-LACOURT
不過(guò)，與紫色弧不同的是，史蒂夫事件中綠色的部分卻酷似極光。包裹著地球的磁場(chǎng)泡遭到擾動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生沖向電離層的“波浪”，從而使電子向下流向大氣層上層，電子與大氣層中的粒子撞擊，激發(fā)后者。該團(tuán)隊(duì)稱，這就是史蒂夫事件中綠色尖樁柵欄狀結(jié)構(gòu)的來(lái)源。
Nishimura說(shuō)：“這種發(fā)光機(jī)制，與典型的綠色極光一模一樣?！彼麄?cè)谘芯拷Y(jié)論中稱，在后續(xù)的研究中，應(yīng)該把史蒂夫的每個(gè)部分都作為單獨(dú)的現(xiàn)象來(lái)區(qū)別對(duì)待。
朋友們幫的小忙
美國(guó)加州大學(xué)的Larry Lyons是一位研究磁性層和電離層物理學(xué)的專家，并未參與此項(xiàng)研究。他認(rèn)為該新研究是我們理解史蒂夫起源的“一次重大進(jìn)步”。正是有了低緯度的觀測(cè)和THEMIS衛(wèi)星群，如今，我們更深入地理解了史蒂夫與地球大氣層上層和地球磁場(chǎng)泡的關(guān)系。
但是，一切尚未蓋棺定論。這篇新論文只研究了三次事件，樣本量較小。要想完全解釋尖樁柵欄狀結(jié)構(gòu)和紫色弧光，還需要更多數(shù)據(jù)。目前來(lái)看，還有許多問(wèn)題等待解決，比如，弧光為什么是紫色的？為什么紫色和綠色部分既能出現(xiàn)在一起，又是相互獨(dú)立的？
此外，Gallardo-Lacourt說(shuō)，有了這項(xiàng)研究，“我們正一點(diǎn)一點(diǎn)地更進(jìn)一步理解史蒂夫?！彼€強(qiáng)調(diào)說(shuō)，如果沒(méi)有平民科學(xué)家的付出，所有這些研究能不可能進(jìn)行下去。
她說(shuō)：“盡管是科學(xué)家們?cè)谘芯渴返俜?，但這其實(shí)是攝影師們的發(fā)現(xiàn)?！比巳硕家黄鹋忾_(kāi)這個(gè)謎團(tuán)，“對(duì)我而言，這才是科學(xué)研究最浪漫的地方?！?/p>
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